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聚合物科學(xué)使橡膠輪胎、特氟龍和凱夫拉纖維、塑料水瓶、尼龍夾克成為日常生活中不可分割的一部分。彈性聚合物，稱為彈性體，可以反復(fù)拉伸和釋放，用于手套和心臟瓣膜等需要長(zhǎng)時(shí)間使用而不會(huì)撕裂的應(yīng)用。但是一個(gè)難題長(zhǎng)期以來一直困擾著聚合物科學(xué)家：彈性聚合物可以很硬，也可以很軟，但不能兩者兼而有之。



這種剛度-韌性沖突對(duì)于開發(fā)可用于組織再生、生物粘合劑、生物打印、可穿戴電子產(chǎn)品和軟機(jī)器人等應(yīng)用的聚合物的科學(xué)家來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。



在發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文中，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS) 的研究人員解決了這一長(zhǎng)期存在的沖突，并開發(fā)了一種既堅(jiān)硬又堅(jiān)韌的彈性體。



除了為新興應(yīng)用開發(fā)聚合物外，科學(xué)家們還面臨著一個(gè)緊迫的挑戰(zhàn)：塑料污染，該研究的資深作者、Allen E. 和 Marilyn M. Puckett 力學(xué)與材料教授索志剛說。可生物降解聚合物的發(fā)展再次將我們帶回了基本問題——為什么有些聚合物堅(jiān)硬，而另一些則脆？我們?nèi)绾问咕酆衔镌诜磸?fù)拉伸下抗撕裂？



聚合物鏈?zhǔn)峭ㄟ^將單體構(gòu)建塊連接在一起而制成的。為了使材料具有彈性，聚合物鏈通過共價(jià)鍵交聯(lián)。交聯(lián)越多，聚合物鏈越短，材料越硬。



隨著你的聚合物鏈變短，你可以儲(chǔ)存在材料中的能量變得越來越少，材料變得脆弱，該論文的共同第一作者、SEAS的研究生Junsoo Kim 說，如果你只有幾個(gè)交聯(lián)，鏈就會(huì)更長(zhǎng)，而且材料很堅(jiān)韌，但它太軟而無用。



為了開發(fā)一種既堅(jiān)硬又堅(jiān)韌的聚合物，研究人員著眼于使用物理鍵而不是化學(xué)鍵來連接聚合物鏈。這些稱為纏結(jié)的物理鍵幾乎與聚合物科學(xué)存在的時(shí)間一樣，在該領(lǐng)域中就已為人所知，但它們被認(rèn)為只影響剛度，而不影響韌性。



但是 SEAS 研究小組發(fā)現(xiàn)，如果有足夠多的纏結(jié)，聚合物可以在不影響剛度的情況下變得堅(jiān)韌。為了制造高度纏結(jié)的聚合物，研究人員使用了濃縮單體前體溶液，其含水量比其他聚合物配方少 10 倍。



SEAS 博士后研究員、該論文的共同第一作者張國(guó)高說，通過將所有單體用較少的水?dāng)D入該溶液中，然后將其聚合，我們迫使它們糾纏在一起，就像纏結(jié)的紗線一樣。就像針織面料一樣，聚合物通過物理交織保持彼此的聯(lián)系。



有數(shù)百個(gè)這樣的纏結(jié)，只需要少量的化學(xué)交聯(lián)來保持聚合物的穩(wěn)定。



作為彈性體，這些聚合物具有很高的韌性、強(qiáng)度和抗疲勞性，SEAS 訪問學(xué)者、該論文的合著者梅軒子說，當(dāng)聚合物浸入水中成為水凝膠時(shí)，它們具有低摩擦和高耐磨性。



高抗疲勞性和高耐磨性提高了聚合物的耐用性和使用壽命。



我們的研究表明，通過使用纏結(jié)而不是交聯(lián)，我們可以通過提高材料的耐用性來減少某些塑料的消耗，張說。



我們希望這種對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)的新理解將擴(kuò)大應(yīng)用的機(jī)會(huì)，并為具有這些卓越機(jī)械性能的更可持續(xù)、更持久的聚合物材料鋪平道路，金說。

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來源：賢集網(wǎng)
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